超高海拔地區負切變現象主要成因初步探究

劉志遠 李楊揚 何一

摘要：文章以某超高海拔風電場示范工程測風塔和測光塔實測數據為基礎，提出利用輻射量與風速之間的相關關系進行超高海拔地區負切變現象主要成因的探究方法，發現該類地區負切變現象主要成因為大氣穩定性，而不是地形因素。大氣穩定性對負切變的影響主要是通過太陽輻射量影響氣流運動實現，風切變大小基本與與輻射量高低成反比關系，為超高海拔地區風電開發工程設計以及風電機組技術研發等都提供了重要借鑒。

關鍵詞：超高海拔;負切變;主要成因;大氣穩定性

中圖分類號：P942文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0056-07

根據國際上通行的海拔劃分標準：1500～3500m為高海拔;3500～5500m為超高海拔;5500m以上為極高海拔，我國超高海拔地區主要分布在西藏的絕大部分地區、四川的涼山及甘孜地區、云南的滇西及滇西北地區等，其中西藏絕大部分地區海拔高度均在4000m以上。相比一般高海拔地區，超高海拔地區氣象條件更加錯綜復雜，一般具有“超低溫、大風速、低密度、負切變、強輻射、頻雷暴”等顯著特點，都會導致風電開發前期資源觀測、評估技術難度加大，工作流程更加復雜。復雜的氣候氣象條件也對風電機組的適用性也提出了更高要求，主要面臨風電機組失速、電氣設備絕緣、散熱、降容以及其他特殊要求等。目前，國內已運行的最高海拔風電場為國電龍源那曲高海拔試驗風電場，平均海拔高度約4600m，裝機規模0.75萬kW;國內外5000m以上海拔高度的風電場開發尚處于空白。為了進一步研究海拔高度超過5000m的超高海拔地區風能資源特性，為超高海拔風電機組技術研發和試驗提供一定的參考依據，進而為該類地區大規模風電開發提供研究成果，本文依托《超高海拔風電開發技術研究及應用》科技項目示范工程，對超高海拔地區典型風況特征之一——負切變，進行主要成因初步探究。

1 工程概況

該風電場示范工程位于西藏地區，場址平均海拔高度介于5000～5070m之間，屬于典型的超高海拔風電場。場址地勢整體較為平坦，坡度不大，局部有凸起部分，地表覆蓋物以高原荒地為主，無明顯障礙物。場址范圍內已建立一座編號為1#的測風塔，最大測風高度100m;場址范圍外已建立一座編號為2#的測光塔，測光高度10m，二者直線距離約5km。目前兩座測風（光）塔數據收集均已滿一年，數據質量整體較好，有效數據完整率均達90%以上。場址區域內盛行主導風向為SSW方向。

通過對1#測風塔各通道實測風速數據進行統計分析可知，該測風塔處風速隨著高度的增加整體上呈不斷減少的趨勢，即產生負切變現象，并且近地面通道的風速相對較大，最高層通道的風速最小，10m高度實測平均風速約為9.80m/s，100m高度實測平均風速約為9.58m/s。

2 成因分析

風切變是指風速在垂直于風向平面內的變化，受地面摩擦力的影響，一般呈對數分布，其計算公式如下。

α=（lgV₂-lgV₁）/（lgH₂-lgH₂）（1）

式中α為風切變;V₁為H₁高度處風速，m/s;V₂為H₂高度處風速，m/s。

風切變也可以認為是風廓線的另一種表達方式，是對風廓線的工程應用。風速垂直切變不僅影響測風塔實測以上高度風速的推導，同時影響風電機組塔架高度的選擇，并且對風電機組載荷和發電效率都有一定影響。通常情況下，負切變現象多發生在復雜山地地形的風電場，業內普遍認為主要受兩方面因素影響，即地形地貌和大氣穩定性，因此本文也分別從以上兩方面進行超高海拔示范工程測風塔負切變現象主要成因分析。

2.1地形地貌

在復雜的山區地形中，氣流通過陡峭山體時被壓縮并加速，風速分布不再嚴格遵守對數分布。這種低層加速效應只發生在山脊以上有限的高度區間內，近地面某層高度風速因為地形原因被加速，而更高高度則因不在地形加速效應層內而未被加速，導致高低層風速差異變小，風切變指數變小。當地形加速效應較大時，加速后的低層風速甚至比未經加速的更高層的風速大，即產生負切變現象。另外，樹林、灌木等植被也會引起低層切變很大、高層負切變現象等。

通過對本工程場址地形地貌分析，場址區域地勢相對平坦，山脊坡度較緩，沿山脊線高差相差60m左右。分別選取l#測風塔處沿主導風向斷面1和垂直山脊走向斷面2進行地形分析發現：（1）測風塔所在區域隆起地形地勢非常平緩，頂部地形坡度小于5°，迎風和背風坡度5°～15°，屬于斜緩坡，地形導致的加速效應不明顯。（2）測風塔在50m/10m、80m/70m兩個高度區間內出現正切變，其余高度區間均為負切變，實際情況與低層加速效應不相符合。（3）現場調查確認場址區域內地表覆蓋物均為荒草或裸露地面，無灌木或高樹等，即地表粗糙度也不會對風廟;線造成較大影響。綜上所述，本文基本認為地形地貌會對氣流產生一定的影響，但并不是本工程中測風塔負切變現象產生的主要成因。

2.2大氣熱穩定性

大氣熱穩定性是指空氣受到垂直方向擾動后，大氣層結（溫度和濕度的垂直分布）使該空氣團具有返回或遠離原來平衡位置的趨勢和程度，直接影響近地層大氣的垂直對流，溫度越高垂直對流越強，大氣越不穩定。在復雜地形山區中，氣流變化復雜，加之海拔較高，晝夜溫差較大，大氣穩定性較差，負切變現象比較常見。一般來說，大氣穩定性越差，風切變指數越小。根據國際標準，按照穩定度從大到小，通常可以分為3類：穩定狀態：垂直移動后逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢;中性狀態：將它推到某一高度后，既不加速也不減速而停下來;不穩定狀態：垂直移動后，加速向上或向下運動。

大氣熱穩定性一般根據理查森數R_i判定，該參數描述湍流運動因抵抗重力所做的功與雷諾應力使平均運動動能轉變為脈動動能之比值的大小，與溫度梯度有關，其計算公式如下。

式中θ_v為虛位溫，θ_v≈≈（1+0.6lq）;θ為位溫，q為比濕。位溫的梯度可以通過從溫度的梯度中消去干空氣的絕熱垂直遞減率得到：

式中T_d=0.0098K/m。

由于l#測風塔只進行了一個高度層的溫度監測，無法直接計算得到R_i值。為了進一步研究大氣熱穩定性對負切變的影響，同時考慮到氣流運動跟太陽輻射有直接關系，文章提出從太陽輻射的角度定性分析、間接驗證。2#測光塔距離1#測風塔不遠，其實測輻射數據對測風塔處基本具有較好的代表性，通過對測風塔風速與測光塔輻射量分別進行日內、年內變化規律對比，分析其之間的相關關系。

2.2.1日內變化

通過對測風塔和測光塔數據日內變化分析，不同季節輻射量主要集中在上午6～8時至下午19～20時之間，在此時間段內發現測風塔各高度層出現明顯負切變;其它時段不同高度層風速變化幅度不一致，風切變有所不同。其中，最為明顯的10m高度層風速變化：在0～9時區間內，太陽尚未完全生起，場址區域輻射量較低，風速最小，符合風速隨高度增加的正常分布規律;9～20時區間內，太陽完全升起，場址區域輻射量不斷增加，風速大幅增加，遠遠高于其它高度層風速;20～23時區間內，太陽逐漸落下，場址區域輻射量減少，風速逐漸減小，直至低于其它高度層。其它高度層風速在不同時段也具有類似變化規律。因此，基本可以判斷輻射量的確通過影響氣流運動并對風切變產生較大影響。

2.2.2年內變化

通過對測風塔和測光塔數據年內變化分析，風速與輻射量年內的整體變化趨勢有一定的相似性，風速在1～4月份呈先增大再減少的趨勢，5～12月份呈先減少后增加再減少的趨勢。大風月主要集中在10月～次年2月，小風月主要集中在3～9月;輻射量在1～5月份呈先增大再減少的趨勢，6～12月份呈先減少后增加再減少的趨勢。

為了進一步研究輻射量對風切變的影響，考慮到不同季節太陽輻射量也有所不同，分別對2#測光塔輻射量和1#測風塔風切變進行不同季節變化分析。由圖表可知，輻射量夏季最高為1655.5MJ/m²，依次為春季、秋季，冬季最低為1441.7MJ/m²;綜合風切變夏季最小為-0.032，依次為春季、秋季，冬季最大為0.005，即風切變大小與輻射量高低成反比關系，且基本以50m高度為界點。夏季輻射量最高，對風切變影響也越大，各高度層風切變明顯低于其它季節，負切變現象更加明顯。

2.2.3綜合分析

綜合以上兩方面分析，該地區由于晝夜溫差較大，白天太陽輻射充分到達地面后，近地層氣流因受熱而變得極不穩定，亂流逐漸發展，上下層空氣間的動量交換增強，大氣穩定性極不穩定，結果使下層空氣的運動加速，而上層空氣的運動減速。根據《風電場風能資源評估方法》（CB/T18710-2002）推薦的空氣密度公式計算得到1#測風塔10m高度處空氣密度約為0.694kg/m³，推算得到50～100m高度處空氣密度基本介于0.691～0.688kg/m³。由于海拔高度較高，空氣稀薄，相比一般地區空氣密度也非常低，特別是隨著高度的增加，空氣密度越來越低，氣流受熱加速相對滯后或不明顯。另外，由于地表覆蓋物如茂密林地等可有效吸收多余太陽的熱量，減緩近地層亂流的產生，而本工程項目場址區域內地表覆蓋物基本均為低矮荒草地或裸露地面，光禿的地表吸熱能力非常差，熱量大部分用于近地層空氣的加熱，當下層空氣不斷加速甚至超高上層空氣運動速度時，即產生負切變現象，這種現象在輻射量較高的夏季尤為明顯，呈季節性變化。

式中：p為空氣密度，kg/m³;P為實測氣壓，Pa;T為年平均開氏溫標絕對溫度（t℃+273）;R為氣體常數（287j/kg·k）;ρ_h、ρ_z分別為為高度h、z處空氣密度。

3結論與建議

文章依托實際工程測風塔和測光塔實測數據，利用太陽輻射量與風速之間的相對變化關系來對超高海拔地區負切變現象主要成因進行初步探究，主要得到以下結論。

1）超高海拔地區極易出現負切變現象，并且往往近地層高度風速最大，隨著高度的增加風速反而減小。通常風速垂直切變具有如下特征：低層風速切變大于高層風速切變;夜間風速切變大于白天風速切變;冬季風速切變大于夏季風速切變。

2）超高海拔地區負切變現象主要成因應來自于大氣穩定性，而不是地形因素，雖然地形的確會對氣流產生一定的影響。

3）大氣穩定性對負切變的影響主要是通過太陽輻射量影響氣流運動實現，太陽輻射到達地面后，下層空氣受熱而變得極不穩定，亂流逐漸發展，由于隨著高度的增加空氣密度越來越低，上層氣流受熱加速相對滯后或不明顯，最終導致下層空氣運動速度高于上層空氣，即產生負切變。

4）風切變大小基本與與輻射量高低成反比關系，即白天輻射量高，風切變小;夜晚輻射量低，風切變大。夏天輻射量高，風切變小;冬天輻射量低，風切變大，呈季節性變化。白天、夏季負切變現象更加明顯，與測風塔實測風切變的變化趨勢基本一致。

5）地表覆蓋物是產生負切變的一個重要因素。當地表為低矮荒草地或裸露地面時，光禿的地表吸熱能力差，熱量大部分用于近地層空氣的加熱，導致地層亂流加劇，助推負切變產生。超高海拔風電場工程在規劃設計階段，應盡量保證擬布機位點處地表覆蓋物（粗糙度）與測風塔處基本一致，確保評估結果更加接近實際運行值。

6）超高海拔地區風電場不宜選用高輪轂風電機組，在保證機組安全運行的前提下，應適當降低輪轂高度，以提高發電效益。

7）結論主要基于具體工程數據得到的規律，下一階段應進行更大范圍內的一般規律的深入研究和驗證。